基于Na22+放射性同位素的密度計在礦漿檢測上的運用

鄧 磊，張玉瀟，陶 花

（云錫文山鋅銦冶煉有限公司，云南 文山 663700）

當今世界，工業化日新月異，集散控制使企業自動化程度越來越高，智能儀表與集散控制系統的配合應用為工廠自動化控制提供了眼睛，使得控制更加精確。但是針對一些特殊的工藝介質以及高溫、高壓、高腐蝕等極端工況，普通檢測儀表使用壽命極短或者根本達不到檢測要求。針對此種情況，一些利用放射性同位素核源的非接觸式測量測儀表應運而生。

某冶煉廠十多臺濃密機需要測量底流密度，由于介質是礦漿，管道材質為鋼襯管，采用傳統的超聲波原理的密度測量儀表受測量介質與管壁等因素的影響，根本得不到有效數據，針對上述情況，工廠決定采用放射性同位素儀表檢測濃密機底流密度。

1 檢測儀表優劣對比

1.1 普通檢測儀表

普通檢測儀表大部分為直接接觸介質測量，能夠有效反應被測介質的屬性，屬于普通儀表，安全性能很高，造價便宜，無附加配套設施，容易得到需要檢測的數據。但因為是直接接觸式測量，對介質、工況、安裝要求很高，針對一些高溫、高壓、高腐蝕、高粉塵的極端工況，儀表測量精度低，使用壽命短，并且在儀表出現故障時必須停機處理，給工廠的連續性生產帶來諸多不便。

1.2 Cs137與Co60同位素儀表

放射性同位素的出現在很大程度解決了這一難題，當今工業控制領域的同位素檢測儀表主要是以Cs137和Co60為主要放射源的液位計、液位開關、密度計等。它檢測原理為放射源用密閉的鉛盒封裝，置于待檢測設備的一側或者內置釜等容器內，設備的正對另一側安裝接收器，檢測時，將鉛盒正對設備一面打開，放射源發射出射線穿透待檢設備之后被接收器接收，因設備內的物料介質會隨著工藝變化而變化，放射源穿透設備的射線也會隨著介質的變化有強弱之別，變化的信號經過處理之后，轉換成電信號傳送給相應控制顯示設備就可以得到被測介質的液位或者密度。

放射源儀表由于是非接觸式測量，它的出現為解決極端工況帶來了福音，但同時它存在極大的安全隱患。自然環境中放射性環境核素Cs137主要來源于原子彈、氫彈等核武器試驗、核武器制造過程中所產生的放射性廢液、核燃料處理廠的放射性廢液和核電站核反應堆的放射性廢物等。Cs137的衰變過程是β-衰變，衰變過程中發射兩種β-粒子，最大衰變所釋放的能量分別0.512MeV（94.6%）和1.174MeV（5.4%），半衰期30.17年。Co60是β-衰變核素，發射β-和γ射線，β-射線的最大能量為0.315兆電子伏，γ射線的能量有1.173210和1.332470兆電子伏兩種，半衰期為5.272年。

Cs137人體攝入量小于0.25Gy屬于安全范圍，超過此值會導致造血系統、神經系統損傷，非正常生育乃至絕育，人體攝入量超過6Gy，能夠致人死亡。Co60屬高毒性核素，對全身有影響，對人體的有效半減期為9.5天，在人體中的最大容許積存量為3.7×105貝可，能導致脫發，會嚴重損害人體血液內的細胞組織，造成白血球減少，引起血液系統疾病，如再生性障礙貧血癥，嚴重的會使人患上白血病（血癌），甚至死亡。

所以在Cs137與Co60儀表使用過程中，必須根據國家相關法律法規辦理輻射安全許可證，現場必須安裝環境當量實時監測系統及視頻監控系統，必須設置有保存鉛盒的專用倉庫，才能使用。儀表維護人員必須取得輻射安全與防護培訓合格證，進入現場時穿戴齊全鉛衣，佩戴輻射測量儀才能工作，且由于人的天然畏懼心理，導致工作上的諸多不便，且放射源必須終身監管，從生產、運輸、使用、報廢都必要按照規定流程，一旦出現疏漏，將造成嚴重后果。

1.3 Na22+同位素儀表

Na22+同位素檢測儀表與Cs137、Co60的測量原理一致，它與Cs137和Co60不同點在于該產品能以極低的活度獲得想要的測量結果，該儀表核源活度≤1X106Bq，低于國家要求的豁免度水平，在國家生態環境部的豁免清單之內，可以當做普通儀表使用。

2 技術方案確定

根據上述介紹，該冶煉廠十多臺濃密機底流密度計全部采用Na22+同位素作為放射源的核密度計測量儀表。

3 Na22+密度計的測量原理

Na22+密度計的工作原理是由放射性產生的伽馬射線穿透被測介質，其中一部分射線被介質吸收，剩余部分射線被傳感器控制器所接收，接收伽馬射線越多，表明被測物體密度越小，反之亦然，根據伽馬射線的衰減程度，接收控制器CPU計算電離輻射通量的變化情況，從而測量被測介質的密度，并以標準4mA～20mA電流形式輸出。

伽馬射源的衰減遵循已知的指數關系，具體如下：

n（D）=A＊exp（B＊D）。

D為密度，A和B為與放射源活性、伽馬鏈子能量以及管道直徑、管壁相關的系數。測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 Na22+密度計測量原理示意圖

4 安裝及測量要求

（1）安裝位置管徑要介于50mm～500mm之間。管道直徑小于50mm，增加介質與輻射相互作用的體積。

（2）密度計的安裝位置應選取在管道被介質完全充滿處。最好為垂直或部分傾斜的方向上，使得介質從下向上流動。如果安裝位置僅限于管道水平方向，則探測器固定螺栓要保持水平，主要是為防止水平管道底部有沉積對密度計讀數產生影響。另外，還存在沉積厚度變化的情況，因此，密度計的讀數也取決于漿體壓力。

（3）選擇安裝位置時，安裝位置要距離出料口(或輸送泵)5米以上，因為儲槽內部介質有可能沒有攪拌均勻，離出料口太近測量的密度值不精準。

（4）選擇安裝位置時，應避免接近（壓縮機、電機等）震動源。當所測管道位置震動強烈且沒有其他安裝位置時，將探測器固定在主體上。

（5）當兩臺密度計的安裝位置彼此較近的時候，放射源會對另外一臺密度計產生影響。對此，兩臺相鄰密度計之間的距離≥3m，如不能實現，則在放射源近處放置鉛板。

（6）如果所測管道表面溫度超過70℃，但低于100℃，則使用隔熱板，主要隔離接收器一側，接收器高溫容易損壞。如果工作管道表面溫度超過100℃，則安裝探測器冷卻水回路。

（7）當管道不是完全被介質密充滿時，則需使用其他密度計的探測器。在這種情況下，需將管道上方進行切割，并安裝一個短管。將有輻射源的短管通過支架固定在管道上。輻射源位置應安裝在流經管道介質的下方。在插入介質部分需做耐磨涂層，以便提高其耐磨性。

（8）取樣口距離安裝位置1m以內，且要安裝在輸送泵的后面，以保證介質的均勻性，減少密度計和化驗室的實測密度之間的誤差。

5 工廠應用經濟性分析和運用實績

5.1 經濟運行分析

Na22+同位素儀表比Cs137和Co60的檢測儀表設備造價稍貴，但是它是國家生態環境部豁免儀表，無需辦理輻射安全許可證，不需要使用單位建立專用庫房，僅此一項就能節省數十萬元的投資。另外配套儀表使用視頻監控系統、環境當量檢測系統等也是造價不菲，從事儀表維護的人員必須取得輻射安全與培訓證書，穿戴鉛服、輻射檢測儀、個人輻射劑量儀等，以上幾項合計投資又接近數十萬元，綜上所述，Na22+核源儀表要比Cs137和Co60的檢測儀表經濟型要高很多，它的使用能為企業節約更大的成本。

5.2 運用實績

該冶煉廠的其中10臺濃密機底流密度計投入使用之后，密度計測量值與化驗室的實測密度的誤差率全部小于2%，為工藝的連續性生產提供了依據，取得了良好效果，具體見圖2。

圖2 密度計測量對比表

6 結語

該儀表的成功使用，很大程度上替代了部分危險性很大的Cs137和Co60的檢測儀表，解決了一些極端工況的測量難題，為其它檢測困擾提供解決的思路，且它綜合運行成本低廉，安全性能較高，是企業的一大福音，隨著它推廣運用，必將在工廠自動化的提高方面有更多的建樹。